示波器如何避免檢測到來(lái)自探頭外殼電流的信號

示波器探頭都有兩根導線(xiàn)，一根用于連接測試電路與示波器的垂直放大器（稱(chēng)為傳感線(xiàn)）另一根用于連接示波器機殼地和本地電路的數字邏輯地（稱(chēng)為屏蔽線(xiàn)）。通常，我們只需要考慮示波器對傳感線(xiàn)電壓的響應。這一節里分析示波器對屏蔽線(xiàn)上的信號是如何響應的。

示波器的機殼地和邏輯地之間的任何電壓差都可以在屏蔽線(xiàn)中引起電流。在圖1中，通過(guò)屏蔽線(xiàn)電阻R屏蔽的屏蔽線(xiàn)電流產(chǎn)生了壓降V屏蔽。探頭電纜的中心導體，也就是傳感線(xiàn)，沒(méi)有傳導屏蔽電流，因此它上面并沒(méi)有壓降。

當傳感線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)都連接到工作電路的地時(shí)，兩條線(xiàn)上的不同壓降會(huì )在示波器的垂直放大器上反映兩者的電壓差。我們無(wú)從知道這個(gè)電壓差是由探頭電纜遠端的實(shí)際信號產(chǎn)生的，還是由屏蔽電流產(chǎn)生的。雖然我們希望示波器顯示無(wú)電壓，它可顯示的就是屏蔽電壓。

示波器對屏蔽電壓的響應，就好像它是一個(gè)真正的信號一樣。

屏蔽電壓與屏蔽線(xiàn)電阻成正比，而不是與屏蔽線(xiàn)的電感成正比。這是因為屏蔽層導體和中心導體之間是磁耦合。流過(guò)屏蔽環(huán)路的電流產(chǎn)生的任何變化的磁場(chǎng)，都共同環(huán)繞于屏蔽導體和中心導體，在兩個(gè)導體上感應出相同的電壓。感應電壓在兩個(gè)導線(xiàn)上同時(shí)存在，而電阻壓降只出現在屏蔽線(xiàn)上。

屏蔽電壓很容易觀(guān)察到：

1、將示波器的探頭觸點(diǎn)和地線(xiàn)連接起來(lái)。

2、將探頭在工作電路附近移動(dòng)，面不接觸任何東西，此時(shí)只能看到來(lái)自探頭號感應回路的磁感檢測電壓。

3、將探頭的灑端用鋁箔裹上，將探測觸點(diǎn)直接同探頭的金屬接地護套短接，此時(shí)磁場(chǎng)檢測電壓減到接近于零。

4、現在將示波器探頭邊到測試電路的邏輯地，此時(shí)應該看到的僅有屏蔽線(xiàn)上的電壓。如果屏蔽電壓很小，則可以忽略。

屏蔽噪聲會(huì )給控制大功率設備的數字系統帶來(lái)麻煩。設備中巨大的60HZ交流電流會(huì )在數字邏輯地上感應出電壓，這反過(guò)來(lái)造成了屏蔽噪聲。如果是屏蔽電壓帶來(lái)的麻煩，可以用9種方法來(lái)克服它。

1、降低屏蔽電阻。如果探頭是買(mǎi)來(lái)的，那么這一點(diǎn)就比較難辦。如果用自制的同軸電纜探頭，那么選用粗一些的同軸電纜。從RG-174改到RG-58，或從RG-58改到RG-8。較粗同軸電纜的硬度問(wèn)題使得這種方法并不現實(shí)，但它解決了儀器裝備的問(wèn)題。

2、在示波器和邏輯地之間加入旁路阻抗。這使得噪聲電流大部分流過(guò)旁路阻抗，而少量的電流流過(guò)屏蔽線(xiàn)。這種方法通常并不實(shí)用，特別是對高頻。從測試電路板上選取一個(gè)良好的接地點(diǎn)，通過(guò)電感足夠低的導體連接到示波器的地，以獲得明顯改善，這幾乎是不可能的。

如果旁路導體同探頭線(xiàn)一樣長(cháng)，則并不存在任何足夠大直徑的導體能夠使問(wèn)題得到改善（電感隨直徑的對數的變化而改變）。如果旁路導體比示波器探頭線(xiàn)的長(cháng)度短得多，倒是有可能會(huì )起作用。

3、將測試電路板斷電，或者部分斷電。這種方法僅在測試局部電路時(shí)有效。如果你懷疑問(wèn)題來(lái)自屏蔽電流器聲，這是一種好的試驗方法。這可以用于確定噪聲是由測試電路產(chǎn)生的，還是由于別的干擾源造成的。

4、在屏蔽回路中串接大電感，用一個(gè)大的高頻磁芯，將探頭圍繞它纏繞5到10圈。這將增大探頭屏蔽層的電感，從而減小電流，這種方法在100KHZ~10MHZ范圍內效果較好。在100KHZ以下，需要用很大的電感才能使問(wèn)題得到改善。在10MHZ以上，磁芯的效果會(huì )降低。

5、重新設計電路板，以降低電磁場(chǎng)輻射。將兩層板變成四層板，加入完整地平面。減少電磁場(chǎng)射是降低地平面產(chǎn)生噪聲電壓傾向首要方法。

6、斷開(kāi)示波器的安全地線(xiàn)。斷開(kāi)示波器的安全地線(xiàn)使示波器的交流電源系統的安全特性失效。一旦示波器電源系統的供電部分同機殼相連，示波器的機殼變?yōu)榻油?10V供電電壓，這是非安全電壓。通常，如果發(fā)生故障，安全地線(xiàn)將大部分交流電源的電流旁路到大地，并觸發(fā)電路的斷路保護開(kāi)關(guān)。它切斷電源，很可能在關(guān)鍵時(shí)刻保護了你的生命。

盡管如此，你還是應該了解將安全地線(xiàn)斷開(kāi)對高頻信號具有什么效果。

如果示波器的機殼和安全地線(xiàn)之間隔離良好，則示波器探頭的屏蔽地環(huán)路就會(huì )被切斷，從而使屏蔽電流降低。然而遺憾的是，斷開(kāi)安全地線(xiàn)并不能得到良好的隔離效果。

對大多數示波器而言，在其內部的電源部分，都有一個(gè)0.01UF的電容把機殼同每一根交流電源線(xiàn)相連，這就將其依次連接到地。即使沒(méi)用這個(gè)電容，在電源變壓器上也會(huì )有足夠的寄生電容，從而在機殼和電源之間形成高頻能路。

在頻率高于10MHZ時(shí)，無(wú)論如何，示波器都有足夠的對地電容，所以簡(jiǎn)單地斷開(kāi)安全地線(xiàn)的方法并沒(méi)有效果。

這種方法對商頻還是起作用的，但是不適用于高速數字邏輯電路。

7、在示波器探頭上使用雙重屏蔽。將這個(gè)雙重屏蔽的外屏蔽層的一端連接到示波器外殼，另一端連接到電路板。示波器的探頭線(xiàn)必須全部被這個(gè)雙重屏蔽包裹起來(lái)。將雙重屏蔽同示波器探頭的接地點(diǎn)接到一起。在高頻時(shí)，大部分屏蔽電流由于趨效應被轉移到外屏蔽層。因為探頭的內層屏蔽沒(méi)有電流通過(guò)，所以沒(méi)有壓降和噪聲電壓存在。這種方法聽(tīng)起來(lái)有悖常理，但確實(shí)起作用。雙重屏蔽層可以用鋁箔制作，或者剖開(kāi)一根舊的RG-8電纜的外屏蔽并用它包裹住探頭線(xiàn)。應盡量減少探頭在雙重屏蔽地層和探頭觸點(diǎn)之間的裸露長(cháng)度，以降低環(huán)路中磁感應噪聲的耦合。

如果你想自己制作一根21：1雙重屏蔽探頭，POMONA出售的一種BNC到雙重屏蔽的轉換適配器可用于此目的。將適配器的BNC插頭端到示波器的BNC插座上，POMONA適配器的另一端有雙重屏蔽的插孔，這個(gè)插孔可以將外層和中間層地線(xiàn)在內部連接為單的BNC地線(xiàn)。用普通雙重屏蔽插頭端這個(gè)雙重屏蔽電纜，并把它插到適配器。在雙重屏蔽電纜的電路板端，只需將它的將層和中間焊起來(lái)即可。電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀|

8、使用1：1探頭，而不是10：1探頭。10：1探頭并不會(huì )衰減屏蔽電壓，由于10：1探頭使實(shí)際被測信號發(fā)生衰減，因此使用10：1探頭使得屏蔽電壓看起來(lái)相對大了10倍。

9、采用差分探頭的方案。圖2給出了實(shí)現差分測量的正確方法。探頭14接到信號點(diǎn)而探頭2連接到信號地。兩個(gè)探頭的屏蔽層在G5點(diǎn)連接到一起，并且不與電路板相接觸。用一根獨立的接地導線(xiàn)將電路板的地和示波器的地相接。只有當電路板通過(guò)其他機制沒(méi)有合適的方式同真實(shí)的地相連時(shí)，這根獨立的導線(xiàn)才是必要的。

將示波器的輸出設置為探頭1的信號減去探頭2的信號。這個(gè)操作需要進(jìn)行小的調整才能得到比較好的效果。將兩個(gè)探頭暫時(shí)連接到同一個(gè)測試信號點(diǎn)，然后調整兩個(gè)探頭的增益，使得兩路信號完全相抵消。接下來(lái)，暫時(shí)將兩個(gè)探頭都接到地，觀(guān)察存在多少殘留檢測噪聲。這個(gè)噪聲正是我們要克服的，所以值得檢查一下是否能抓到它。

當采用差分探頭時(shí)，由于屏蔽層沒(méi)有接觸任何東西，所以屏蔽電流此時(shí)并不存在。這就是差分探頭的主要好處。對于具有浮動(dòng)的電路，或地線(xiàn)電壓高于真正大地時(shí)，差分探頭可能是惟一的選擇。

把兩個(gè)探頭盡量靠近，使得它們之間的磁感應檢測回路的尺寸最小�；芈分袡z測到的任何磁場(chǎng)都會(huì )在兩個(gè)探頭間產(chǎn)生感應電壓。將兩個(gè)探頭線(xiàn)雙絞或綁緊，保證它們緊貼一起。

當使用普通示波器探頭時(shí)，保持接地點(diǎn)貼近于測試點(diǎn)，通過(guò)互感方式耦合進(jìn)兩個(gè)探頭之間傳感回路里的耦合噪聲與普通單端探頭相等。頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀|

為了達到差分效果，探頭的長(cháng)度和類(lèi)型必須一致。兩個(gè)探頭的頻率響應或延遲的不均等會(huì )導致示波器顯示屏上出現共模信號。

有些示波器提供特殊的差分放大模塊和具有增益與效率響應特性匹配的探頭。通常這些模塊都有特別的共模抑制特性，但是一般來(lái)說(shuō)帶寬太低，因此對解決調整數字問(wèn)題用處不大。

差分測量時(shí)要小心使用10*探頭。要得到有效的共模抑制，與直流增益一樣，高頻補償調整一定要匹配得非常好。這種方式在調整信號時(shí)幾乎不適用。